中科院理化所田野JACS：大规模MOF纳米粒子单层用于稀土元素选择性传输!

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研究内容

长期以来，由多孔纳米颗粒组成的长程有序膜一直被用于精确分离。然而，大多数制造方法都受到基板有限或缺乏对晶体取向的精确控制的影响。金属有机框架（MOFs）是一类新型的晶体纳米多孔材料，目前被认为是人工离子通道的理想候选者，这在离子筛选和纳米流体应用中是理想的。

中国科学院理化技术研究所田野副研究员通过超亲光基质限制的界面自组装过程制备了具有可控取向的大规模金属-有机框架（MOF）单层膜（沸石咪唑酸酯骨架-8（ZIF-8）膜）。结果显示，所制备的膜可以选择性地传输稀土元素，La³⁺/K⁺的选择性达到14.3。相关工作以“Large-Scale Metal-Organic Framework Nanoparticle Monolayers with Controlled Orientation for Selective Transport of Rare-Earth Elements”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1. 作者首先使用超亲光硅晶片用作受限衬底，通过界面自组装工艺制备了具有可控取向的晶片级沸石咪唑酸酯骨架-8（ZIF-8）膜。甲醇-H₂O反应物液滴能够在不混溶的油（十六烷）下超扩散，产生超薄液体层作为2D受限反应器，ZIF-8颗粒自发组装成具有受控取向的单层ZIF-8膜（厚度仅为～100 nm）。

要点2. 基于取向与颗粒在液/液界面润湿性之间的关系，作者通过调节ZIF-8颗粒的界面接触角获得了两种类型的取向膜（⟨110⟩/⟨111⟩）。气体吸附和离子传输测试都证明了⟨111⟩取向膜表现出最小的传质阻力。所制备的膜可以选择性地传输稀土元素，La³⁺/K⁺的选择性达到14.3。

要点3. 理论分析和实验结果进一步证明了取向相关的传质阻力。分子动力学模拟证明，由于离子-膜结合能的差异，稀土元素（REEs）在ZIF-8膜内通过碱和碱土阳离子实现了选择性迁移。

该研究提出的基于超扩散的策略为制备MOFs和其他晶体材料的定向单层提供了一种简单的方法，这对获得功能性多孔膜和涂层很有吸引力。

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研究图文

图1. 超亲光基质约束MOF膜的制备。

图2. 紧凑型ZIF-8膜形成机理的研究。

图3. ZIF-8膜的结构规则。

图4. ZIF-8膜的定向机制。

图5. ZIF-8膜的离子传输行为。

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文献详情

Large-Scale Metal-Organic Framework Nanoparticle Monolayers with Controlled Orientation for Selective Transport of Rare-Earth Elements

Ming Qiu, Zhongpeng Zhu, Dianyu Wang, Zhe Xu, Weining Miao, Lei Jiang, Ye Tian*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c02716